对纳米材料与器件的电气测量不仅可以揭示其电学特性,而且可以揭示如纳米粒子状态密度等基本特性。这些基本特性可用于预测和控制其物理特性,如拉伸强度、颜色及导热率。但若想理解这些特性则需要采用高灵敏度的仪器和先进的探测技术以采集电气数据。专为纳米技术研究设计的仪表设备在电气测量中已成为极其重要的科学仪器,但在选择测试系统和工艺方法上仍要求周到细致地分析,从而实现快速、精确的测量。

纳米粒子的表征方法

纳米尺度的粒子（组成新材料的原子及分子）遵从的规则是量子力学,与大尺寸物质的特性通常会有不同。因此,通过测量揭示只有纳米物质才具有的特性则显得更加重要。

粒子大小和结构主要影响材料研究过程中所采用的测量技术的类型。宏观材料可以采用光学显微镜进行观察。对于粒子尺寸小于200nm的纳米材料,则须采用扫描隧道显微镜（STM）或原子力显微镜（AFM）进行观察。 表1概括了可看做纳米粒子、介观粒子以及宏观粒子的相对尺寸。

表1：不同类别粒子的相对尺寸EM>

当粒子尺寸减小到纳米尺寸,其物理行为将发生根本性改变。这时可采用非可视测量方法来揭示其独特的化学性质和电气性质。对于许多此类测量,对应于一个物理量的实际测量量,通常为低电流或低电压。对纳米尺寸物体进行直接电气测量,可以利用带有特殊探针的仪器和现代的纳米探针台来实现。

电性能测量

只要粒子实际尺寸接近材料电子的波长,就必须要考虑其量子力学效应。在这种临界尺寸下,粒子的电子能量不能采用大尺寸材料的方法进行预测。

对于宏观尺度的粒子,电子具有分立量子能量,它们存在于能带内部,每个能带由许多能级组成,电子可以通过它们的热能共享这些能级。当粒子尺寸减少至纳米量级尺寸时,连续能带内允许的能量将分散成分立能级（因为其中只有极少数原子）,这时能级之间的间隔接近电子的热能。随着特定的能带内能级变少,材料的状态密度也将发生变化。

状态密度是当电子通过释放能量进入到较低的能级或者吸收能量升至较高的能级时可以选择的能态数目。状态密度、粒子尺寸以及其他纳米特性都可以通过电气测量推断得出结果。

纳米粒子的电阻直接受能带隙和尺寸效应的影响,能带隙是指电子能带内邻近能级间的距离,而尺寸效应与材料的平均自由程（电子在散射事件间传播的平均距离）有关。 通常,对于非金属材料,带隙直接影响到粒子是导体、绝缘体抑或是半导体。

图1：连接导体间的碳纳米管（CNT）示意图。
CNT管显示了许多独特的性质,这些性质对于研究多钟电子结构和物理结构非常有用。
（感谢美国国家航空和宇航局Ames纳米技术中心提供此图片）

碳纳米管（CNT）就是一个例子（参见图1）。具有代表性的是,当制作碳纳米管时,导体形态和半导体形态都可能出现。例如,导体碳纳米管可用作场致发射平板显示器发射极,而半导体碳纳米管可用于制作晶体管开关器件。图2(A)中就是半导体碳纳米管,功能相当于源极和漏极的两个电极之间有一CNT,第三个电极为绝缘栅（图2(B)）,直接放置在整个CNT通道下方。 经由该通道引入的电场（通过增大栅极电压）可将CNT管从半导体状态转换为绝缘状态,反过来通过降低栅压可将该器件转换为导电状态。